農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡法:誤區(qū)、改進與應用——兼析中國集約農(nóng)作碳效率 (續(xù))

劉巽浩，徐文修，李增嘉，褚慶全，楊曉琳，陳 阜

(1． 中國農(nóng)業(yè)大學，北京 100193:2． 新疆農(nóng)業(yè)大學，烏魯木齊 830052:3． 山東農(nóng)業(yè)大學，泰安 271018)

(接上期)

3 集約農(nóng)作制同樣可減少CO2 凈排放

應用改進的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡方法論(上文)，對中國歷年和當代的農(nóng)田的碳流效率進行了分析研究。采用的研究方法簡述如下:

(1)系統(tǒng)邊界:表2 中的地域是全中國整體，系統(tǒng)邊界是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，作物以稻麥玉米等糧食作物為代表。表3 中的地域是新疆伊寧和山東滕州，邊界是小麥、玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。

(2)路徑:采用有來有回的全環(huán)式碳流路徑，包括固碳與耗碳兩個方面。

(3)指標與參數(shù):以能量法為骨干，并佐以IPCC、West、Lal、Gan 等指標與參數(shù)，力求完整、邏輯起點一致，符合當?shù)貙嶋H情況，并強化了農(nóng)田系統(tǒng)的間接的碳投入

(4)數(shù)據(jù)來源:大多數(shù)的全國農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)以官方統(tǒng)計數(shù)字［46-48］為準，耕地數(shù)據(jù)參照有關文獻［49-50］和作者實地考察進行修正，新疆伊犁和山東滕縣數(shù)據(jù)由徐文修、李增嘉教授調(diào)查所得。個別數(shù)據(jù)因缺乏官方公示(如秸稈還田率等)，則根據(jù)一些典型資料以及作者50 年間的全國調(diào)查研究做出的經(jīng)驗性設定。

時間:全國性研究時間是新中國建國初為起點，每隔15 年選1 年，即1950、1965、1980、1995、2010 年。1950 年農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)不正規(guī)，故以開始有正規(guī)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的1952 年代之。兩個縣的資料代表當代(2012)先進水平。在1952 ～2012 這半個多世紀期間，中國農(nóng)業(yè)的進展大致可分為3 個階段，1949 ～1980年為以牛耕鐵犁為代表的傳統(tǒng)農(nóng)作階段，1980 ～2010 年為半機械化為代表的半現(xiàn)代化集約農(nóng)作階段，進入21 世紀后，中國部分地區(qū)開始向準現(xiàn)代化集約農(nóng)業(yè)階段過渡，伊寧滕州即屬于這個范疇。研究不同歷史階段的農(nóng)田碳流狀況既有利于檢驗上述的改進足跡方法是否適當，更可以審視不同階段農(nóng)田系統(tǒng)碳足跡的動向和效率，為中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略提供依據(jù)。

在學習研究前人資料的基礎之上，經(jīng)過多方面反復地分析、實地考察、實證與論證，得出了初步研究結(jié)果。其中，全國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳流研究和伊寧泰安小麥玉米田碳流研究分別見表2 和表3，表4 是這兩個案例的碳流效率歸納和比較，圖3 和圖4 則圖示了全國農(nóng)田碳流對溫室氣體的影響以及多年的全國農(nóng)田碳流動態(tài)。從得出的初步結(jié)果看，一些結(jié)論頗出人意外，它或許對我國今后的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略將有所啟示。

表2 中國歷年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳流 kgCO2e/hm2·年

4 分析與結(jié)論

4.1 一年生作物在生長過程中同樣呈正碳平衡

眾所周知，植物是固碳的，在生長過程中光合作用的固碳總是大于呼吸作用的釋碳，因而在植物生長過程中碳匯大于碳源。輿論界也認為，多年生喬木形成的森林在生長過程中是凈碳匯，有益于減少空氣中的溫室氣體。問題是，人工栽培的1 年生作物是凈碳匯還是凈碳源?隨著農(nóng)田投入的增加，系統(tǒng)中加入了許多間接的碳排放(機械、化肥等)，于是輿論界往往偏愛多年生林木而視1 年生的作物為負碳平衡者。情況果真是這樣的嗎?

表3 (2012 年)伊寧與滕州小麥玉米田碳流 kgCO2/hm2·年

表2、表3、表4 和圖3 可以看出，無論是全國歷年估算還是兩個當代案例，無論是低水平的傳統(tǒng)農(nóng)作還是較高水平的準現(xiàn)代集約農(nóng)作，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡都是固碳＞耗碳。全國歷年每公頃農(nóng)田系統(tǒng)減少溫室氣體排放量為2 186 ～10 967kgCO2e/hm2，伊寧滕州小麥玉米兩熟農(nóng)田系統(tǒng)減少溫室氣體排放量相應為3 232 ～8 107kgCO2e/hm2。全國歷年總固碳/總耗碳之比長期維持在2．5 上下(圖4)，伊寧滕州的小麥玉米兩熟在1．3 ～1．4 左右;籽粒固碳/籽粒耗碳之比相應為1．3 ～1．55 與1．8 ～2．8 之間。每公斤糧食的耗碳系數(shù)全國歷年為0．75 ～0．90，兩個現(xiàn)代案例為0．4 ～0．65 之間。

據(jù)森林學家方精云等2007 年的研究［51］，1950 ～2003 年的54 年期間，全國每公頃森林的平均年碳匯為0．74tCO2，54 年碳匯共26．7 億tCO2，其中近23 年為1．55tCO2/hm2·年。相比之下，全國1952 ～2010的58 年間，每公頃農(nóng)田在作物生長期間年碳匯6．16tCO2/hm2·年，58 年共碳匯464．5 億tCO2，其中近30 年為8．63tCO2/hm2·年，比全國森林碳匯大許多倍。據(jù)中國官方公報，2006 年全國排放CO2共46 億t，而1995 ～2010 年期間全國農(nóng)田凈固碳量約為每年13 億t，相當于全國排放量的1/4，可見，農(nóng)田作物生長期固碳對減少當年空氣中的溫室氣體做出了重要貢獻。

表4 全國歷年及兩地2012 年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳流分析

圖3 全國歷年農(nóng)田系統(tǒng)碳流與GHG 變化

由此可見，不僅是多年生植物，一年生人工栽培的作物同樣也是凈固碳者。年年栽培的一年生作物的碳流進程與多年生的林木本質(zhì)上是一致的。無論是一年生或多年生植物，無論是自然或人工栽培的作物，他們在生長過程中，碳平衡總是正的。當然，過熟林或森林自然大火導致碳平衡為負的可能性是存在的。因此，對待一年生和多年生植物應采取一視同仁的態(tài)度，厚此薄彼至少是不科學的。至于它們一旦老化或收獲物移出農(nóng)(林)田系統(tǒng)以后，其命運也是相似的，即被人類作為食物、飼料、燃料、工業(yè)原料、建材、家具、紙漿等資源而加以利用，最后遲早都將分解變?yōu)镃O2而返還大氣，從而由碳匯轉(zhuǎn)化為碳源，只不過不同收獲物的存留時間長短不同而已。殊不知今日熱衷于營造森林減少當前溫室氣體排放，卻為后代子孫埋下了增加CO2排放的隱患，人類欲將減少地球上溫室氣體的希望寄托在植物身上恐怕會落空的［1］。由上可見，既不能因收獲物移出農(nóng)(林)田系統(tǒng)而否定作物在農(nóng)(林)田系統(tǒng)期間的固碳事實，也不宜將植物看作為大氣溫室氣體的永恒的載體和唯一希望(碳匯)。

此外，如果加上全國稻田(2010 年占全國糧食播種面積的27%)排放的CH4，其結(jié)果是全國農(nóng)田碳流仍然是正平衡。顏曉元得出世界稻田年排放2 550 萬tCH4，中國約占國際估計的1/4［45］，約排放750 萬tCH4，平均為251kgCH4/hm2，它為全國每公頃耕地平均增加1 423kgCO2e，那么2010 年每公頃耕地耗碳共計是6 110 +1 423 =7 533kgCO2e/hm2，這個數(shù)也不到每公頃耕地總固碳量(1．680 7kgCO2e/hm2)的一半。

值得注意的是，上述結(jié)果是在強化的改進碳足跡法基礎上獲得的，它比當前一般采用的方法增加了許多間接碳耗。即或如此，由于作物固碳超過耗碳，所以仍呈正碳平衡。

4.2 半個世紀的中國集約農(nóng)作制維持了碳流的正平衡

中國人多地少，實行高產(chǎn)、高效、多熟、高投入與高產(chǎn)出的集約農(nóng)作制實屬必然。西方學術界認為，集約農(nóng)作由于多消耗資源，因而是不可持續(xù)的。美籍華裔左天覺博士善意地幾次向中國有關部門提出建議，不要實行高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效的集約農(nóng)業(yè)方針，因為集約農(nóng)作消耗資源，是不可持續(xù)的。因而“低投入農(nóng)業(yè)”“低熵農(nóng)業(yè)”“自然農(nóng)業(yè)”“低碳農(nóng)業(yè)”等口號盛行一時［52］。

圖4 全國歷年農(nóng)田系統(tǒng)碳效率

頗出意料之外的是，從表2、表3、表4 和圖4 可以看出，在中國農(nóng)業(yè)從粗放到集約的半個世紀多的歷史進程中，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)的碳平衡始終處于正平衡狀態(tài)。從1952 ～2010 年半個多世紀過程中，中國的農(nóng)業(yè)集約度大幅度提高，機、電、油、化肥、農(nóng)藥等投入迅速增加，無機耗碳由每公頃17kgCO2到2 644kgCO2，增加了55 倍，每公頃總耗碳由1 555kgCO2到6 110kgCO2，增加了3 倍，但是，由于總固碳由3 741kgCO2到1 6807kgCO2，增加了3．5 倍(表2)，因而總固碳/總耗碳之比并未隨著集約化程度提高而下降，各年分別為2．41、2．38、2．84、2．88、2．66，中后期還稍有上升(圖4、表4)。即或是處于集約農(nóng)業(yè)頂峰的伊寧和滕州小麥玉米兩熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，其固碳/耗碳比仍處于＞1 ～2 的正平衡狀態(tài)(表4)。2009 年，斯坦福大學Burney 等通過歷史分析得出“農(nóng)業(yè)集約化減輕溫室氣體”的結(jié)論［40］，有異曲同工之處?？梢?，與一般輿論相反，選擇正確方式與技術體系的集約農(nóng)業(yè)也可能是可持續(xù)的，化學合成品也有改善溫室氣體平衡的可能性。

4.3 合理施肥也有減少溫室氣體的可能性

一些環(huán)保主義者認為，化學合成物總是環(huán)境的破壞者，當前有些農(nóng)田碳足跡研究也認為化合物耗碳是農(nóng)田系統(tǒng)作物耗碳的主體，約占總耗碳量的60% ～70%左右，因此農(nóng)田化合物成了環(huán)境破壞的罪魁禍首。事實究竟如何?

表4 顯示，中國農(nóng)田系統(tǒng)平均化合物耗碳/總耗碳比從1952 ～1965 年的0．4% ～0．7%到1995 ～2010年的25%，并非都是60% ～70%，只有特殊的滕州高水平小麥玉米田才達到60% ～70%水平。

進一步的問題是，農(nóng)田化合物是不是空氣中溫室氣體負平衡之源?從表2、表3 和表4 可以看出，從1952 ～2010 年全國化合物耗碳量，由每公頃6kgCO2到1 559kgCO2，增加了160 倍，化合物耗碳/總耗碳之比由0．004 到0．25，增加了60 多倍(表2)，說明了隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的提高，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)化合物間接排放的溫室氣體越來越多，問題似乎越來越嚴重。為此，一些學著主張采用禁用化肥農(nóng)藥的“生態(tài)農(nóng)業(yè)”“有機農(nóng)業(yè)”“自然農(nóng)業(yè)”等模式。

出人意料的是，進一步通過全國農(nóng)田系統(tǒng)碳足跡的研究得出，隨著農(nóng)業(yè)投入中有機/無機比的減少以及化合物/總碳耗比的增加，無論是總固碳/總耗碳比，還是籽粒固碳/籽粒耗碳比、或者每公斤糧食的總耗碳都呈正平衡(表4)。

此外，隨著N 肥的迅速增加，土壤釋放的N2O -N 也隨之增加。從1952 ～2010 年，每公頃排出的N2O- N 形成的CO2當量由2kgCO2e 增加到391kgCO2e (表2)，伊寧滕州小麥玉米則高達465 ～894kgCO2e (表3)。即便如此，由于增加的化合物促進了作物的光合作用固碳，因而每千克糧食的耗碳始終維持在0．9 ～0．8 之間(表4)，兩個2012 案例相應為0．6 ～0．4 之間(表4)。

可見，通過全環(huán)式碳足跡路徑的分析得出，適度投入農(nóng)田的化合物有助于減少CO2的 凈排放。原因是農(nóng)田通過應用化合物促進了作物光合作用與固碳效率，增加了凈初級生產(chǎn)率(NPP)，從而使固碳超過耗碳，因而表現(xiàn)為對空氣中溫室氣體的正平衡。

最后，需要強調(diào)的是，與農(nóng)學法、錢流法、能量法等相似，用碳流法研究農(nóng)業(yè)只是眾多農(nóng)業(yè)研究方法中的一個，它研究的是農(nóng)業(yè)的一個側(cè)面而不是全部，提倡“低碳”指的是單位產(chǎn)品的耗碳量減少，而不是指耗碳總量的降低。研究農(nóng)田(農(nóng)業(yè))生態(tài)系統(tǒng)的碳流可為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供參考，但不能因此就完全決定農(nóng)業(yè)的整個發(fā)展戰(zhàn)略。盡管中國集約農(nóng)業(yè)的碳流效率并未出現(xiàn)人們擔心的負平衡局面，但集約農(nóng)業(yè)的碳效率與當?shù)氐淖匀?、社會、生產(chǎn)經(jīng)濟條件、技術水平、政策等密切相關，并不一定是越集約越呈碳正平衡。盡管在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中適度投入化學品有助于碳平衡，但不能因此而忽略化學品可能產(chǎn)生的其他污染環(huán)境負效應。當前，力爭集約持續(xù)發(fā)展的中國農(nóng)業(yè)面臨巨大的挑戰(zhàn)，糧食安全、自然資源緊缺、規(guī)模過小、農(nóng)業(yè)效益過低，城鄉(xiāng)差距過大，這些問題不是一個碳效率所能解決的。

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